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1918年（大正7年）八田针对嘉南地区水利灌溉进行实地研究调查，并向台湾总督府提出嘉南大圳建设计划书，获得通过后，开始作嘉南大圳的细部设计和规划，1919年受命负责建造嘉南大圳的核心工程-乌山头水库（其形状似珊瑚，当时民政长官下村宏将之命名为“珊瑚潭”）。1920年9月，这个亚洲最大的灌溉土木工程正式动工。1921年因为官方人员身份无法兼任民间事业体之职务，辞去官职转任“嘉南大圳水利组合”监督课长兼工事课长，暂居嘉义。1922年任乌山头出张所所长，在乌山头宿舍完工后举家迁入。
为了确认大坝施工法之可行性，八田研读世界土木专家的论文，参考先进国家兴建大坝的的方法，1922年还特地前往美国作实地研究调查，最后决定用半水式土石坝工法，并以个人创新世界的技术兴建大坝。这是亚洲唯一的湿式堤偃水库，其规模亦为世界仅有，美国土木工程学会特以“八田水坝”为其命名，并在学会期刊上向全世界介绍。此外，也创亚洲之先，引进大型土木用的蒸气动力机械进行工程，包括铲土机，压力喷水机，砂石运输车。并花七年时间，完成一条长达3078米贯穿乌山岭连接曾文溪的引水隧道。由于工程规模大，施工艰巨，整个乌山头大坝和隧道工程共134人殉职。
经过了十年的努力，终于在1930年（昭和5年) 4月10日让嘉南大圳、这当时全台湾第一、中国第一、亚洲第一的水利设施顺利通水使用。乌山头水库堤堰长1273米，高56米，满水面积十三平方公里，蓄水量一亿五千万吨，是当时亚洲规模最大，也是世界第三大的水库。灌溉水道总长度一万公里，排水道六千公里，主护岸与堤防长度二二八公里，灌溉嘉南平原十五万公顷的农田。有了灌溉，再加上彻底的土地改良，嘉南平原原来的洪水、干旱、和盐害等三大障碍全部扫除，整个工程完成后，嘉南平原的农业生产量遽增，六十万农民受惠，每年稻米、甘蔗及杂作的产量高达八万三千吨，由于贡献极大，后世尊称八田与一为“嘉南大圳之父”、“乌山头水库之父”。八田技师也从此奠定了他在日本土木工程界的地位。
由于曾文溪取水量有限，供水量不足，他发展并推行“三年轮作给水法”，让灌溉面积达到最大。他把嘉南大圳区域内的土地以五十公顷为一小区，每个小区域三年内轮流种水稻、甘蔗、杂谷。操作方法为，设置水门控制给水路，种水稻时充分给水；种甘蔗种只在种植期给水；种杂谷种则不给水，所以，可以让最多的农民享受到灌溉水利的好处。并成立“嘉南大圳水利组合”负责管理水门和配水作业，即“嘉南农田水利会”的前身。对于“三年轮作给水法”，后世也有多种的看法，包括是可以让更多的土地和农民受惠，但也是对地主、制糖厂、大企业及政府很有利的土地利用制度。
嘉南大圳完工后，八田与一迁回台北，回任台湾总督府技师，出任土木课水利股股长，开始着手台湾全岛土地改良计划。并组织“技师协会”，担任会长，以及设立“台湾水利协会”，培育年青一代的水利专业技师，也在《台湾的水利》上发表多篇专业论文。又在台北市设立“土木测量技术员养成所”，开始招生，即现“国立瑞芳高级工业职业学校”的前身。而后曾参与大甲溪发电计划调查、福建省灌溉计划拟定、海南岛农林调查、考察满洲国（中国东北）水库等工作。1939年，八田与一升为敕任官技师，成为总督府最高职位的专业技师。
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